基于供水管网地理信息系统组件式开发及应用 77页

'哈尔滨工业大学硕士学位论文供水管网地理信息系统组件式开发及应用姓名：王芳申请学位级别：硕士专业：市政工程指导教师：赵洪宾20051201 哈尔滨工业大学工学硕士论文摘要给水管网是城市的基础设施之一，是社会生产和人民生活的命脉，随着我国经济建设的迅速发展和水资源的日益短缺，供水行业在社会发展中的基础设旆作用越来越明显，同时也对城市供水管网的管理提出了更高的要求。传统的供水管理模式已难以满足城市供水管理工作臼益繁重的现实要求。实践证明，强化供水统一管理，提高供水行业的管理水平，实现管理的科学化、数字化和现代化是解决当前供水问题的有效途径。GIS(地理信息系统)是近年来发展起来的一门新兴边缘学科，是一个利用现代计算机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、显示和输出地理图形及其属性数据的计算机系统。它能够管理并描述物体的空间信息与属性信息，具有强大的图形、图像及属性数据处理能力。GIs所特有的可视化表达方式和空间分析功能非常符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点，作为一种先进的技术手段应用于城市供水领域，对于强化城市供水规划、指挥、调度、信息查询、快速维修、维护、准确定位、人员最优化调配等各方面工作都将产生积极效果。本课题探讨了基于GIS技术和软件工程方法支持下的供水管网地理信息系统的设计与实现，利用公认的、世界领先的GIS软件供应商ESRI公司的组件式GIS开发控件MapObjects，结合可视化编程工具VisualC++，集成开发建立了供水管网地理信息系统的大致框架，实现了图形浏览、图层管理、属性查询水力计算及计算结果可视化显示等功能。本课题与“佳木斯市供水管网信息化分析系统”项目同步展开，实地调查获取许多熏要资料和信息。通过使用佳木斯市真实管网数据并借鉴自来水公司实际运行管理中的经验与需求，初步建立佳木斯供水管网地理信息系统，使理论和实践相结合，大大增强了系统的实用性。关键词供水管网；地理信息系统；MapObjects；组件式开发 ：窒玺鎏王些銮主三耋耋圭鲨吝AbstractAsoneofthefoundationsincity,thewaterdistributionnetworksplayanimportantroleinsocialproductionandpeople’dailylife．Withtherapiddevelopmentofthenationeconomyandtheseriouslackofwaterresource，hi．gherdemandarerequiredforthemanagementofthewaterdistributionnetworks．Fortraditionaloperationmodelcarl’tsatisfythenowadaysneeds，moreeffective，reliableandscientificmethodaredemanded．GeographicInformationSystem(GIS)isanewlydevelopedsubjectwhichusesthemodemcomputergraphicsanddatabasetechnologytoinput，save，edit，displayandoutputthespatialinformationandattributesdata．Itspeculiarlyvisualinterfaceandspatialanalyzingadvantageswillconducetothewatersupplynetworkwhichiscomplicated，dynamicandchangefully．ItwillbringgreatadvantagesifcombinedtheGISwiththemunicipalfield．ThispaperdiscussedthedesignandtherealizationofthewaterdistributionnetworksgeographicinformationsystemwitlltheGIS．ThefamousGISdevelopmentcontroltoolMapObjectswhichdevelopedbyESRIandVisualc++areusedtodevelopthemainlyflameofthesystem．Now,thesystemcarlbrowsingthemap，managethelayer,querytheattributesdataandcarryoutgeneralhydraulicealculation．111ispaperiscarriedonthesametimewiththewatersupplydigitalandanalyzingprojectofKiamusze．MostoftherealdamsandinformationsareadoptinKiamusze．Keywordswaterdistributionnetworks；GIS；MapObjects；ActiveXIl 1．1引言第一章绪论伴随着科学技术的迅猛发展，计算机以极快的速度渗入到社会生活和工业生产的各个方面，将人类带入了信息时代。信息时代最鲜明的特征就是信息技术的广泛运用。信息技术是信息时代的必然产物，它的引入使工业的管理形式和管理手段发生了巨大变化，许多企业和部门的管理形式因此由单项管理转向协作管理，管理手段由传统的人工方式转变为管理信息系统方式。信息技术对社会、经济的发展产生的影响是广泛而显著的LlJ。地理信息系统(GeographicInformationSystemGIS)是国际上近年来发展起来的一门新兴边缘学科。它是利用现代计算机技术和数据库技术来输入、存储、处理、显示和输出空间信息及其属性数据的计算机系统。1．2课题背景给水管网是城市的基础设旋之一，是社会生产和人民生活的命脉，随着我国经济建设的迅速发展，城市化进程的加快，我国供水行业也进入了一个新的发展时期。供水行业在社会发展中的基础设施作用越来越明显，供水问题成为当前我国社会经济可持续发展最突出的问题之一。为了满足生产和人民生活的需要，供水行业由原来单纯地增加水量向着提高效益、提高供水安全性、加强管理的方向发展，同时也对城市供水管网的规划建设、管理诊断及应急抢修等提出了更高的要求。供水管网管理涉及的信息量大且大多具有空间地理特性，难以用传统的数据库进行管理，而GIs(地理信息系统)作为近30年来迅速兴起的榘计算机科学、地理学、空间科学和管理科学等相关学科为一体的新兴学科，能够管理并描述物体的空间信息与属性信息，具有强大的图形、图像及属性数据处理能力，对信息提供采集、处理、管理、报表等功能，同时还具备强大的空间分析功能，如缓冲、地理编码及网络分析等[21，因此，我们可以借助GIS技术对城市给水管 哈尔滨工业大学工学硕士论文网进行全面、有效的管理。GIS所特有的可视化表达方式和空间分析功能非常符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点，作为一种先进的技术手段应用于城市供水领域，对于强化城市供水规划、指挥、调度、信息查询、快速维修、维护、准确定位、人员最优化调配等各方面工作都将产生积极效果。城市供水管网地理信息系统的建设实施，将极大的提高城市供水部门工作的科学性、准确性和整体运作效率，有利于从根本上艇决城市经济建设的快速发展与城市供水管理形式落后的矛盾，对于迅速提高城市供水管理水平、保证城市供水与经济建设和社会发展相适应，将具有积极的意义【3J。1．3国内外研究现状一些发达国家GIS的发展己进入专业化应用与商品阶段，国外供水行业采用计算机信息管理已比较普遍，取得很大进展，许多城市已建立地下管网GIS。九十年代后，GIS在我国开始逐步发展和应用，但由于起步较晚，技术上相对落后。虽然已有少数城市将GIS应用于供水系统部分信息的管理，如北京市自来水集团公司开发BUDIS(《北京市城市管网管理信息系统》)、广州市自来水总公司运用SICAD软件包建立了《广州市配水管网信息系统》、武汉市自来水公司引用超文本电子地图集系统HEAS建立《武汉市管网综合信息管理系统》、大连开发区自来水公司与哈尔滨建筑大学联合设计开发了《大连市开发区供水管网综合管理信息系统(WNW))》、南昌市自来水公司运用中国地质大学的MapGIS软件平台开发了《南昌市供水管网信息管理系统》等。但由于历史遗留问题太多，加之人们对此项新技术的认识不足同时人员素质还有待提高，尚缺少综合性强、通用性好的供水管网地理信息系统。随着我国经济的快速发展，许多城市开始引用国外的GIS系统。例如上海自来水集团公司在世界银行投资200多万美元支持下建成的系统，在功能上包括了供水管网的图形数据的录入、修改及查询、统计、抢修决策、日常事务管理等功能，但存在着投资大、开发周期长的问题。GIS在国内供水系统中的应用目前主要集中在城市输配水管网日常管理中，一般包括以下一些功能：1．电子地图维护管理 支持数字化仪、野外全站仪、电子手簿、扫描仪等信息输入方式，可以对图形和属性进行编辑；能与其它GIS数据格式相互转换，同时支持各种格式的图形输出。2．管网基础资料维护管理能及时将供水管网的改扩建、维修保养等基础资料的变化信息，通过查询、输入、合并、编辑等操作添如到已建立的城市供水管网地理信息系统中，实现管网信息的动态管理。3．管网的查询、统计和分析可以根据实际需求对管网信息进行条件查询和统计，生成相对应的查询结果报表和统计图，更加直观的显示管网信息的统计特征和相互关系，为做出科学、合理的判断提供依据。4．优化调度利用SCADA(数据采集与监控系统)获取管网监测点实时数据，结合供水管网水力模型，全面监测城市输配水系统，对管网的运行状况做出科学、合理的判断，合理调整水泵的流量与压力等、减小能耗，提高效益，实现供水管网的优化运行。5．管网的规划设计设计人员可根据管网基础资料、管网分析统计所提供的数据进行管网设计，增强了设计的合理性。6．事故时分析能够迅速做出判断，给出关闭阀门的最优方案，同时查看受影响管段和用户的相关信息，显示停水区域图，做出停水预处理，并发布停水信息。1．4本课题研究的主要内容城市供水管网地理信息系统就是利用地理信息系统等计算机技术和供水技术采集、管理、更新、综合、分析与处理城市供水管线信息的技术系统。GIS所特有的可视化表达方式和空间分析功能非常符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。将GIS技术与供水管网相结合，建立城市供水管网地理信息系统，将大大提高了管网管理工作的效率和质量，可 以为城市市政设施的管理、养护、规划提供直观的、有效的管理手段，及时提供准确的设施现状，为市政部门领导的决策提供科学依据。同时GIS也是把供水企业各种信息有效聚合的粘合剂，将所有的信息通过地理信息相互关联，有机结合，为企业提供更深层次的信息化应用。本课题探讨了基于GIS技术和软件工程方法支持下的供水管网地理信息系统的设计与实现，利用公认的、世界领先的GIS软件供应商ESRI公司的组件式GIS开发控件MapObjects，结合可视化编程工具VisualC++，集成开发建立了供水管网地理信息系统的大致框架，实现了图形浏览、图层管理、属性查询、水力计算及计算结果可视化显示等功能。本课题与“佳木斯市供水管网信息化分析系统”项目同步展开，获取了许多重要的实际资料和信息。通过使用佳术斯市真实管网数据并借鉴自来水公司实际运行管理中的经验与需求，使理论和实践相结合，大大增强了系统的实用性。 啥尔滨工业大学工学硕士论文第二章地理信患系统2．1地理信息系统(GIS)技术概况GIS是多学科发展集成的平台，是整个信息科学和技术发展的重要组成部分，它的发展与其它相关学科的发展相辅相成。GIS与其它学科的关系如图2，1所示。圈2-1GIS与相关学科的关系Figure2一lTherelationshipbetweenGISandalliedsu埘ecls在新兴的信息产业中，GIS(GeographicInformationSystem，地理信息系统)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及掘关学科等为一体的新兴边缘学科，近30年来迅速兴起。GIS将计算机技术和空间地理分布数据相结合．通过系统建立、空间操作与模型分析， 第二章地理信息系统2．1地理信急系统(GIS)技术概况GIS是多学科发展集成的平台，是熬个信息科学和技术发展的重要组成部分，它的发展与其它相关学科的发展相辅相成。GIS与其它学科的关系如图2．1所示。图2-IGIS与相关学科的关系Figure2—1TherelationshipbetweenGISandalliedsubjects在新兴的信息产业中，GIS(GeographicInformationSystem，地理信息系统)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴边缘学科，近30年来迅速兴起。GIS将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立、空间操作与模型分析， 啥尔滨工业大学工学硕士论文为地球科学、环境科学、工程设计乃至企业管理等方面的规划、管理和决策提供有用的信息。目前GIS在国内外应用领域已相当广泛，不但成功地应用于测绘、制图、资源和环境等领域，而且已成为城市规划、公共设施管理、工程建设“3等的重要工具，此外GIS还进入了军事战略分析与决策、商务策划、文教卫生乃至人们日常活动的各种领域中。据估计，人类活动80％的信息量与地理信息系统密切相关，因此GIS开发和应用的前途和容量是不可限量的。目前GIS被认为是21世纪支柱性产业，是信息产业的重要组成部分。2．2地理信息系统(GIS)的发展2．2．1发展历史地理信息系统起源于北美：加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料，于60年代开始建立地理信息系统(CGIS)，于70年代初投入产品生产：同一时期，美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室建立通用的制图软件包，竭力发展空间分析模型和软件”3。70年代是GIS发展的巩固阶段：美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。1972年出版了地理信息系统方面的第一本专著《地理数据处理》。许多大学培养GIS人才，创建了地理信息系统实验窒，这一时期，世赛上发展了许多功能较强的地理信息系统，出现了大量的数据库，但这些系统的分析功能和60年代相比，并没有得到很大的扩充，而且数据库的容量一般都比较小，因此说70年代为巩固阶段。80年代为地理信息系统的大发展阶段：计算机的迅速发展和普及，使地理信息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。加拿大、日本、英国、荷兰、瑞典等国将地理信息系统用于国土规划、支持资源与环境管理决策，同时发展中的第三世界国家，开始引进、应用和发展自己的地理信息系统。在此期间，地理信息系统已进入多学科领域，由比较简单的、单一功能的、分散的系统发展成为多功能的、用户共享的综合性信息系统。并向智能化6 哈尔滨工业大学工学硕士论文发展，应用专家系统知识，进行分析、预报和决策。如己开始用地理信息系统来研究全球厄尔尼诺现象和全球沙漠化问题“1。此外，在此期间出现了一些性能较好的软件，如美国环境系统研究所(ESRI)开发的ARcINFO地理信患系统；法国西门子公司开发的SystemQ；美国开发的ERDAS，GENAMAP等。进入90年代，信息技术的发展十分迅速，新的技术进步为GIS注入了新的活力，从而使GIS逐渐渗透到人类生活的各个方面，迎来了GIS应用高速扩展的时期。大量的应用要求驱使GIS软件技术快速发展，开始具备作为应用集成平台的能力。我国在这方面的研究工作起步较晚，始于20世纪80年代，以中科院遥感所所成立的第一个GIS研究室为标志。1980至1985年是最初的起步阶段，在理论探索、硬件配置、软件开发、制定规范、初步应用实验和技术队伍培养方面都取得了一定成果。1986至1993年为初步发展阶段，地理信息系统软件平台被列入国家“七五”攻关课题，取得了重要进展和实际效益。1994年以来为软件商品化阶段，伴随着国外成熟GIS软件的大量涌入，国产GIS平台的产业化进程也渐渐开始步入正轨。目前比较成熟的国产平台有中科院的SuperMap；中国地质大学中地公司的MapGIS”1等。2．2．2发展趋势目前，地理信息系统已经走过了信息存储、管理、查询检索、统计分析和制图表达等基本功能实现的初级阶段，正向着实用化的多功能、多目标、多层次的专业化综合分析管理信息系统、空间信息管理决策支持系统、智能化地理信息系统方向开拓发展。地理信息系统应用的不断深入，对地理信息系统的要求越来越高，同时，地理信息系统又受现阶段技术水平的制约(GIS技术依托的主要工具和平台是计算机及其相关的软硬件设备)。进入90年代以来，随着计算机技术的发展，计算机其微处理器的处理速度愈来愈快，性能越来越高。此外，随着多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术三维图形芯片、大容量光盘技术及宽频光纤通讯技术的突破性进展，特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互联网的建立，以及能够提供接近实时 对地观测I虱像的商分辨、高光谱、短周期遥感卫星大量发射，这些为GIS技术广泛、深入应用展示了更光明的前景。目前GIS主要总体上呈现网络化、开放化、虚拟现实、集成化、组件化等发展趋势。2．2．3GIS的发展前景目前，新一代的GIS软件技术——即comGIs(ComponentsGIS，组件式GIS)和WebGIS(WorldWideWebGIS，万维网GIS)已迅速兴起。ComGIS将GIS的各大功能模块划分为几个控件，根据用户需要，将实现各种功能的控件集成，即构成了GIS应用系统。ComGIS与传统的GIG相比，其优势在于它不依赖于某一种开发语言，便能嵌入到通用的开发环境(如：VisualBasic、Delphi等)中实现GIS功能；或将其他软件功能(包括由高级语言如C十十、FORTRAN开发的其他专业性模型)引入到GIs中，使软件的可配置性、可扩展性和开发性更强，更易于GIS的推广应用。而WebGIS是Internet技术与GIS相结合的产物，是利用WWW技术对传统GIS的改造和发展，目前尚处于试验研究阶段，其最终目标是通过wWW使得GIS成为大众使用的技术和工具，即在删任意一个节点上的Internet用户都可以浏览检索WebGIS上的各种空问信息，进行各种空间分析与预测、空间推理和决策等，从而使GIS进入千家万户。因此，ComGIS和WebGIS被视为当今GIS技术的重要发展方向。2．3国内外常用的地理信息系统软件目前世界上常用的GIS软件己达400多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名的有ARC／INFO，GENAMAP，MGE等；国内较著名的有MAP／GIS，Geostar和CITYSTAR等。虽然GIS起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。国内外主要的GIS产品见表2．1和表2．2。 表2-1国外主要G1S产品Table2-1ThemainGISproductsinabroad国外主要GIS产品软件名称ARC—INFOMaplnfoArcViewGeoMediaMGEIDRISIAutoCADGRASSGenamapPA^fApGISEIiDASIMAGINE开发商ESRIInc．MapInfo_Inc．ESRIInc．tntergraphInc．Intergraph_Inc．ClarkUniversityMap啊AutoDesk—Ine．The-StateUniv_of—NJGenasyslIEssentialPlaning_SystemsErdas表2-2国内主要GIS产品Table2-2ThemainGISproductsinChina国内主要GIS产品软件名称MapGIS吉奥之星(GeoStar)城市之星(CityStar)天威地理信息系统(伸GIs)SuperMapWINGISINF(强tAPVie而IS(地理信息之窗)MapEngineer开发商中国地质大学计算机系武汉测绘科技大学GIS研究中心北大遥感所，三秦有限公司长春天威电脑有限公司中科院地理信息产业中心中国林科院资源信息所北京华胜计算机有限公司北京资信技术电子开发公司北京朝夕科技有限责任公司9 2．4GIS在市政工程领域的开发和应用2．4．1GIS在供水系统中的应用目前，GIS在国内供水系统中的应用集中在供水管网的日常管理中，如上海、深圳、唐山41等城市。天津大学环境工程系也曾根据供水企业的要求，先后以北京大学的Citystar和中国地质大学(武汉)的MAPGIS为软件开发平台，建立了城市供水管网管理系统，实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性套询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。当然，GIS应用于供水系统所产生的功效还远不止于此。就GIS本身而言，对空间数据的管理只是最基本的功能，而更深刻的内涵在于GIS的空间分析、模型分析所产生的信息，能够对自然过程或决策方案进行模拟和趋势预测，以便从中选择最优方案，避免管理和决策的失误。因此，GIS在供水系统中的应用，不能仅仅作为一个图形库和数据库只停留在管网日常管理的水平上，还应该利用GIS分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策“8支持。(1)GIS在管两改扩建方面的应用目前我国大、中城市管网更新改造的任务逐年加大，迫切需求实用的管网水力分析及改扩建优化设计的软件系统。然而，尽管近年来有关管网优化设计理论和方法的研究日趋成熟，其应用并不广泛，究其原因就在于优化模型的建立及其解法与编程，对于部分设计人员来讲难度较大，尤其是改扩建方面的优化，不仅涉及道路、用户、规划等众多因素，而且往往需要庞大的数据量。而解决这一难题的有效办法就是将管网计算理论、系统优化理论与GIS相结合，借助GIS强大的空间数据管理功能，利用GIS上的实际管网图构造出管网计算图形，并从GIS的属性数据库中提取有关数据，通过编制计算程序，进行管网lO 哈尔滨工业大学工学硕士论文水力工况分析。在此基础上再将GIS的网络分析与优化模型的建立及求解融合在一起，建立一个管网改扩建优化的辅助设计系统。这样不仅将优化设计的思想、方法渗透到管网建设中，有利于城市供水管网的合理布局与科学调整，为日后管网的优化调度奠定良好的基础：而且通过GIS将管网大量的基础数据、水力分析计算、优化设计计算以及设计方案输出等集成为易于操作的专业软件，为设计人员的实际应用提供了极大方便。(2)GIs在优化调度和优化运行方面的应用设计优化的最终目的是运行优化。一个大型、复杂、动态的管网做到安全可靠、经济合理的运行并非易事。从长远目标来看，根据管网运行资料，建立管网数学模型，并据此对管网运行工况进行动态模拟，是实现管网优化运行的必经之路。而在管网建模过程中，GIS以其独特的优势，将作为对管网运行实施信息模拟不可替代的工具。在GIS的支持下，管网的结构参数和状态参数融为一体，可以利用GIS数字高程模型，模拟管网水压分布状态，并以二维或三维图形直观显示；也可以在多水源管网中寻求管网内供水分界线的变化规律，合理设置供水分界地带的测压点，并确定各测压点之间的相关关系，为优化调度提供决策依据。(3)GIS在事故时分析方面的应用GIS的空间分析、网络分析还可用于管道施工、管网维修预案和管网事故抢修决策等方面。如在管网建设旄工中，利用GIS的缓冲区(Buffer)模型，对将要敷设的管道进行缓冲区分析，并将计算出的缓冲区与数字高程模型迭加，计算其工程土方量。又如在未来的管网事故紧急抢修时，可以采用GIS与GPS相结合，一方面通过GPS系统准确获取抢修车的地面位置和路网交通状况，并将数据实时传送给GIS，计算最短行车路线：另一方面利用GIS的关阀搜索、管网状态仿真模型，快速分析事故的影响范围和影响程度，模拟管网动态变化，以便调度管网有关设施，确保供水服务质量。显然与传统的事故处理相比，上述技术方案充分显示出现代信息技术高效率的优势。 2．4．2GIS在水污染控制规划领域的应用水污染控制规划是本世纪60年代以来，随着系统工程和计算机技术的发展而提出的。它是在污染源调查和水质现状评价的基础上，依照国家或城市对相应水体功能的环境质量要求，建立相应的数学模型，计算出水体中各污染物的最大排放量(即水环境容量)，然后根据规划水平年预测的污染负荷计算出污染物的消减量，以使水域功能满足所要求的环境质量标准。满足污染物消减量可以有多种方法和措施，水污染控制规划必须通过经济效益，环境效益和社会效益的分析和比较，优化出最佳的试验方案。在水污染控制规划研究成果的基础上，将GIS应用到该领域，从污染负荷、水质评价、环境容量到规划方案的各个过程，都充分利用GIS的功能，从根本上改变以往水污染控制规划的局限性和枯燥性，提高水污染控制规划水平和管理水平。利用GIS对数据的更新查询功能可以对水体进行动态管理，利用GIS的分析功能及其管理功能可以把现有的水系、水文、以及多年的水质资料储存在数据库中，根据需要可以清晰、直观、快速地套出和预测水质情况，提供档案及水环境图文资料，以便更科学地实现水污染控制规划和决策的可视化和定量化。人们对水污染问题认识的不断提高和地理信息系统技术的不断发展，使水污染控蜘规划与GIS技术相结合成为可能。水污染控制规划设计的数据量具大，如水文条件参数、水质参数、污染源参数、污染负荷、环境容量等，且大部分属空间信息，如河流位置、河床断面、水面高度、河底坡度、排放口位置、水力混合状况、污染物浓度分布等，而传统数据库缺乏空间实体的定义能力和空间关系查询能力，因此GIS对空间数据的管理功能和三维显示功能必使水污染控制规划变得更为方便、直观和清晰，将GIS引进水污染控制规划领域，将使规划水平提高到一个新的高度。对水污染控制进行规划主要就是对受纳水体的水环境承载能力进行分析。其在水污染控制规划领域内的应用，大致可以概括为以下两个方面：(1)各种与水环境相关的数据的存储、显示、查询、统计和输出等，如流域内重点污染排放，断面水质状况等的可视化查询、统计等。(2)各种评价模型。结合规划模型、水质模型及其它社会经济模型，集成12 咯尔滨工业大学工学硕士论文成为流域内水环境管理信息系统，决策支持系统或专家系统，为流域水环境管理决策提供依据，通过这些系统预测结果与真实结果的比较，还可以反过来对原有的应用模型加以评价和修正。2．4．3GIS在环境评价和规划领域的应用人口，资源和环境是当今人类社会所共同面临的严峻问题。在保护环境的过程中，科学技术尤其是信息技术的作用越来越大，因为环境保护都离不开环境信息的采集和处理，环境信息具有空间性(据统计有85％以上的环境信息与空间位置有关)、系统性、时效性、多源性等特征，且对数据结果的可视化程度要求较高。GIS便自然成为环境保护与规划的有力工具。目前，在环境保护领域，GIS主要用于环境现状评价、环境质量预测、环境规划、环境建设项目管理、环境应急预警预报系统等。特别是城市环境规划已经成为GIS的一个重要应用领域，美国芝加哥、纽约、我国北京、上海、广州、深圳、厦门、湛江等市都不同程度地建立了城市环境规划GIS系统。GIS在环境资源领域的应用主要体现在环境评价研究、大气与水体质量监测、农业、湿地和公共地管理、资源循环利用检测及危险区制图等方面。此外，GIS在与环境相关的市政管理领域的应用也十分广泛。在城市环境规划中，常伴随着大量的结构化、半结构化和非结构化等决策问题，因此又出现了城市环境规划决策支持系统的研究。与此同时，3S技术在环境领域的应用也日益受到重视。2．4．4GIS在流域水环境信息管理中的应用流域水环境管理是我国国家环保局十分重视的工作之一。目前正着手进行重点流域(淮河、辽河、海河、太湖、巢湖、滇池，即三河三湖)水质污染状况分析与评价工作。其中辽河流域的工作已取得阶段性成果，国务院环境委员会曾于1996年8月19日在沈阳专门召开了“辽河流域水污染防治会议”。为实现东辽河流域水环境的动态化管理，李中山等研究人员采用中国地质大学研制的MapGIS软件软件，完成了图形库、数据库和专业属性库的编辑。图形库包括东辽河水系分布图、东辽河流域检测断面分布图、重点污染源分布图等；数 据库包括东辽河流域检测断面水质监测数据库、工业废水排放及处理情况数据库等，圆满地实现了东辽河流域的水环境信息管理。2．4．5GIS在非点源污染控制中的应用非点源(Non—PointSource，NPS)污染通常指分散的污染源在不确定的时间通过不确定的途径，向地面水和地下水排放不确定量的污染物质。这些污染物主要包括化肥、农药、盐分、有害沉淀物、微量元素等，主要来自农业、土壤侵蚀、厂区地表水渗透以及水体的底泥(即内源污染)等。由于NPS污染具有广泛性、随机性和空间相关性，因此GIS技术在该领域可得到有效应用。国外开展GIS在非点源污染控制中的应用已有十多年的历史，取得了一定的经验和成果。Shaffer等人把GIS技术、释氮模型与经济分析软件包相结合，对高含氮地区进行评价分析，并一次计算植物生长地区地下水中硝酸盐氮的含量。JosetGorres等人把GIS的数据库、物料平衡方程与LEAc}iA／N模型联系起来，研究土壤特性的空间变量与宏观管理措施的变化对井群周围的硝酸盐氮浓度的影响，并由此确定硝酸盐氮浓度的空间分布特征。Behrendt等通过对易遭受磷元素污染的地区进行监测和调查，利用GIS的空间建模功能建立模型，以研究不同类型土壤对磷的吸收能力。也有研究则将GIS技术用于研究密西根州的农业流域的土壤侵蚀与氮和磷的流失情况，并以此为基础提出了农业的最佳管理措施。UsairM．Shamsi的等人将宾夕法尼亚州的暴雨径流模型与GIS相结合进行流域范围的暴雨管理，用GIS来估计模型的参数，并绘制径流水文曲线和地图来显示暴雨径流影响的分析结构。我国东北师范大学应用GIS与美国通用土壤流失方程(USLE)相结合，对松花江流域氮、磷、硫污染物进行量化研究，通过GIS获得的图形，可清晰的显示氮、磷、硫的重污染区域，通过相应的数据库可方便地进行查询检索，为科学决策提供了重要的图形和数据支持。以上列举的各项只是GIS在市政工程中的部分应用，实际上GIS还可用于水资源规划与管理、地面水水质模型、地下水水质保护以及GIS结合专家系统实现供水系统区域优化等众多领域，并将日益发挥更大的功效。 2．5本章小结本章简单介绍了GIS技术的发展历史及发展趋势，国内外GIS软件的基本情况及研究现状，并列举了地理信息系统在中市政领域的应用。虽然供水行业与GIS技术的结合应用才剐刚起步，并且存在较多的困难和局限性，但基于GIS优良的自身特点和广泛的应用藕性，可以为城市供水行业提供全新的服务手段，并能充分利用相关信息对城市供水及城市建设进行多层次、全方位的分析和研究。对于提高城市供水管理的规范化、决策科学化、服务社会化的水平，促进城市供水的可持续发展具有重大意义。 第三章GIS二次开发概述地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是工其型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，如ARC／INFO等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。二是应用型地理信息系统，以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统。3．1GIS的开发模式随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又方便美观的地理信息系统，是GIS开发者非常关心的问题。应用型GIS开发有多种方式可供选择‘16】。3．1．1独立开发指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具软件，减少了开发成本，增加了系统的综合程度和操作效率，但由于地理信息系统的复杂性，要求具备雄厚的科研力量和巨额的开发费用，并且必须随着研究的不断深入而不断更新系统。主要适用于开发商品化的地理信息系统平台软件，对开发一些小型应用系统而言，实用性不高。地理信息系统初期一般采用这种方式，目前，地理信息系统的开发很少采用这种方案。3．1．2宿主型二次开发指完全借助予GIS工具软件提供的二次开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ESRI的ArcView16 哈尔滨工业大学工学硕士论文提供TAvenue语言，MapInfo公司研制的MaplnfoProfessional提供MapBasic语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时快速，简便易行，但进行二次开发的宏语言功能较弱，移植性差，并且受开发工具的限制，不能脱离原系统软件环境而独立运行，有一定的局限性。3．1．3集成=次开发集成二次开发是指利用专业GIS工具软件或其提供的组件来实现GIS的基本功能，采用通用软件开发工具，尤其是可视化开发工具如Visualc++、VisualBasic、Delphi等作为开发平台，进行二者的集成开剔19】。集成开发目前主要有两种开发方式：(1)OLE开发OLE采用OLE自动化技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以OLE自动化方式GIS工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，采用这种方法能够充分利用GIS工具软件强大的地理空间数据和属性数据管理能力以及可视化开发平台，实现应用地理信息开发。(2)组件式开发利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、Maplnfo公司的MapX等，结合支持面向对象技术的高级语言直接将GIS功能嵌入到面向最终用户的可执彳亍应用程序中，实现地理信息系统的各种功能。集成二次开发开发周期短，成本低，可以脱离大型商业GIS软件平台独立运行。为不熟悉GIS技术的团体和个人提供使用上的便利。是未来GIS开发的重要方向。3．1．4三种开发方式的分析与比较由于独立开发难度太大，宿主型二次开发不仅受GIS工具提供的编程语言的限制，同时要求程序员重新熟悉--17新语言，还要了解庞大的函数库、命令 哈尔滨工业大学工学硕士论文库，比较繁琐，因此，结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为GIS应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用GIS工具软件完备的空间数据的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的编程功能强大、高效、方便等优点，大大提高应用系统的开发效率。并且，使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，系统可靠性好、易于移植、便于维护。3．2组件式GIS组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术潮流，GIS软件象其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。无疑，组件式GIS技术将给整个GIS技术体系和应用模式带来巨大影响L23]。组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS软件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。3．2．1组件技术在软件开发领域，组件技术已日趋成熟。组件技术以前所未有的方式提高了软件产业的生产效率，这一点已逐步成为软件开发人员的共识。传统的C／S结构、群件、中间件等大型软件系统的构成形式，都将在组件的基础上重新构造。组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便其他对象了解和调用。组件问的接口通过一种与平台无关的语言IDL(InterfaceDefineLanguage)来定义，而且是二进制兼容的，使用者可以直接调 用执行模块来获得对象提供的服务。早期的类库，提供的是原代码级的重用，只适用于比较小规模的开发形式：而组件则封装得更加彻底，更易于使用，并且不限于c++之类的语言，可以在各种开发语言和开发环境中使用。由于组件技术的出现，软件产业的形式也随之发生了很大的变化。大量组生产商涌现出来，并推出各具特色的组件产品，软件集成商则利用适当的组件速生产出用户需要的某些应用系统，大而全的通用产品逐步减少，很多相对较专业，但用途广泛的软件都以组件的形式分装到一般的软件产品中。组件式平台主要有Microsoft的COM(ComponentObjectModel，组件对象模型)／DCOM(DistributedComponentObjectModel，分布式组件对象模型)和OMG的CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture，公共对象请求代理体系结构)，目前Microsoft的COM／DCOM占市场领导地位。基于COM／DCOM的ActiveX控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组件。3．2．1．1CoM和DCoMCOM是组件式对象模型(ComponentObjectModel)的英文缩写，是组件之间相互接口的规范，是OLE(ObjectLinking&Embedding)和ActiveX共同的基础，其作用是使各种软件构件和应用软件能够用一种统一的标准方式进行交互。COM不是一种面向对象的语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。COM所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口”的机制来进行通信。COM标准增加了保障系统和组件完整的安全机制，并扩展到分布式环境。它定义了软件组件的接口。COM本质上仍然是客户／服务器模式。客户(通常是应用程序)请求创建COM对象并通过COM对象的接口操纵COM对象。服务器根据客户的请求创建并管理COM对象。客户和服务器这两种角色并不是绝对的。基于分布式环境下的COM被称作DCOM(DistributeCOM，分布式构件对象模型)。DCOM是ActiveX的基础，它实现了COM对象与远程计算机上的另一个对象之间直接进行交互。DCOM规范定义了分散对象创建和对象间通信的机制，规范本身并不依赖于任何特定的编程语言和操作系统，但目前该标准只在MicrosoftWindows平台实现。19 哈尔滨工业大学工学硕士论文DCOM的实现采用了DCOM库的形式，当DCOM客户对象需要DCOM服务器对象的服务时，DCOM负责生成DCOM服务器对象并在客户对象和服务器对象之间建立初始连接，一旦返回服务器对象指针，DCOM库就不再参与客户对象与服务器对象之间的工作，两个对象之间可以自由地进行通信。由于接口的定义和功能保持不变，DCOM构件开发者可以改变接口功能、为对象增加新功能、用更好的对象来代替原有对象，而建立在构件基础上的应用程序几乎不用修改，大大提高了代码的重用性。3．2．1．2ActiveX与AetlveX控件(1)ActiveX：ActiveX是Microsoft提出的一组基于COM(ComponentObjectModel，部件对象模型)规范使得软件部件在网络环境中进行交互的技术集，实际上是对象嵌入与链接(OLE)的新版本，使OLE接口加强了对数据和特性的管理，效率更高，而且更加便于进行Intemet互操作。它与具体的编程语言无关。作为针对Internet应用开发的技术，ActiveX被广泛应用于WEB服务器以及客户端的各个方面。同时，ActiveX技术也被用于方便地创建普通的桌面应用程序。微软公司的构件技术标准，。(2)ActiveX控件桌面用的、基于COM的组件叫做ActiveX控件。所谓AetiveX控件不过是遵从一定的标准、与客户端交互的COM对象而已。基于组件的应用开发，其方法和组装电予装置一样，可以用已制作好的组件部件来构筑应用。随着ActiveX的广泛应用，越来越多的编程工具都支持创建ActiveX控件。ActiveX控件是充分利用OLE和ActiveX技术的自定义控件，是基于与应用程序无关的思想而设计的，其目标是提供一种面向对象、与操作系统无关、与机器平台无关、可以在应用程序之间互相访问对象地机制。ActiveX控件是建立在COM标准上的独立的软件元件，提供给用户应用接口，发送相应的事件，开发者则可以截取这些事件，执行相应的功能。ActiveX控件开发端和使用端是完全独立的，可以用Delphi、VB等各种语言来开发，又可以用于不同语言、不同开发平台、不同的系统环境中。 哈尔滨工业大学工学硕士论文3．2．2组件式GIS及其发展历史GIS软件是一种大型的软件，开发一个功能完备的GIS软件是一项极其复杂的工程。如何合理地组织GIS软件的结构，一直是GIS软件技术专家们研究的问题。隧着计算机和地理信息技术的飞速发展，以组件式技术为基础的新的一代地理信息系统(Gin)异军突起，已改交了传统集成式GIS平台的工作模式。GIS的组件化趋势日益明显，已经成为GIS的重要发展方向之一。在GIS发展的早期阶段，由于受到技术的限制，GIS软件往往是只能满足于某些功能要求的一些模块，没有形成完整的系统，各个模块之间不具备协同工作的能力。随着理论和技术的发展，各种GIS模块走向集成，逐步形成大型GIS软件包(GISPackage)，称之为集成式GIS(IntegratedGIS)，如ESRI的Arc／Info、Genasys的GenaMap等均为集成式GIS的代表。集成式GIS是GIS发展的一个重要里程碑，其优点在于其集成了GIS各项功能，形成独立完整的系统；缺点在于系统复杂、庞大，从而导致成本高、难于与其它应用或系统集成等问题。另一类GIS为随后出现的模块化GIS(ModularGIS)，代表软件有Intergraph的MGE等。模块化GIS的基本思想是把GIS按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环境之上(如MicroStation)。尽管许多集成式GIS软件也可以划分为几个模块，但模块化GIS软件的模块被有目的地划分得更细。模块化GIS具有较大的工程针对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块。但无论是集成式GIS或是模块化GIS，都很难与管理信息系统以及专业应用模型集成高效、无缝的GIS应用。为解决集成式GIS与模块化GIS的缺点，提出了核心式GIS(CoreGIS)的概念。核心式GIS被设计为操作系统的基本扩展。Windows系列操作系统上的核心式GIS提供了一系列动态连接库∞LL)，开发GIS应用系统时可以采用现有的高级编程语言，通过应用程序接口fAPI)访闻内核所提供的GIS功能。除了一些基本的动态链接库以外，实现各种功能的动态链接库可以被拆卸和重组，它提供了动态连接库一级的更底层的组件化方式，给使用者提供更大的灵活性。对数据库管理要求较多的用户甚至可以选择管理信息系统开发工具来构造GIS应用，为GIS与管理信息系统的无缝集成提供了全新的解决思路。但是，由于核心式GIS提供的组件过于底 哈尔滨工业大学工学硕士论文层，给应用开发者带来一定难度，也不适应可视化程序设计的潮流。随着计算机软件技术的发展，GIS组件化发展到了一个全新的阶段，出现了组件式GIS(ComponentsGIS，缩写为ComGIS)。组件式GIS基于标准的组件式平台，各个组件之间不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。3．2．3组件式GIS的特点组件式GIS代表着当今GIS发展的潮流，其应用已经引起了国内外一些著名软件厂商的重视，国际上大多数GIS软件公司把开发组件式软件作为重要的发展战略。Intergraph公司声称已经进入组件式GIS的时代，它推出的GeoMedia组件式GIS软件是其庞大的Jupiter计划中的一部分。ESRI和Maplnfo也分别推出了MapObjects和MapX，国内有武汉吉奥技术有限公司的GeoMap。把GIS的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点：(1)小巧灵活、性价比高由于传统GIS结构的封闭性，往往使软件本身变得越来越庞大，不同系统的交互性差，系统的开发难度大。在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能，用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限度地降低了用户的经济负担。组件化的GIS平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得小巧灵活，而其价格仅是传统GIS开发工具的十分之一，甚至更少。这样，用户便能以较好的性能价格比获得或开发G／S应用系统。(2)无须专门GIS开发语言传统GIS往往具有独立的二次开发语言，对用户和应用开发者而言存在学习上的负担。而且使用系统所提供的二次开发语言，开发往往受到限制，难以处理复杂问题。而组件式GIS建立在严格的标准之上，不需要额外的GIS二次开发语言，只需实现GIS的基本功能函数，按照Microsoft的ActiveX控件标准开发接口。这有利于减轻GIS软件开发者的负担，而且增强了GIS软件的 哈尔滨工业大学工学硕士论文可扩展性。GIS应用开发者，不必掌握额外的GIS开发语言，只需熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境，以及GIS各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前，可供选择的开发环境很多，如VisualC++、VisualBasic、VisualFoxPro、BorlandC+十、Delphi、C++Builder以及PowerBuilder等都可直接成为GIS的优秀开发工具，它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统GIS专门性开发环境相比，是一种质的飞跃。(3)强大的GIS功能新的GIS组件都是基于32位系统平台的，采用InProc直接调用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统GIS软件逊色。小小的GIS组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富的空间查询与分析能力。(4)开发简捷。由于GIS组件可以直接嵌入管理信息系统开发工具中，对于广大开发人员来讲，就可以自由选用他们熟悉的开发工具。而且，GIS组件提供的API形式非常接近管理信息系统工具的模式，开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间数据，无须对开发人员进行特殊的培训。在GIS的开发过程中，开发人员的素质与熟练程度是十分重要的因素。这将使大量的管理信息系统开发人员能够较快地过渡到GIS的开发工作中，从而大大加速GIS的发展。(5)更加大众化组件式技术已经成为业界标准，用户可以像使用其他ActiveX控件一样使用GIS控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统，推动了GIS大众化进程。组件式GIS的出现使GIS不仅是专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的可视化工具。虽然采用GIS构件在开发上有许多优势，但是不可避免的也存在一些功能上的欠缺和技术上的不成熟，主要包括以下几个方面：●与专业的GIS客户端软件相比，采用构件技术不可避免的带来效率上相对低下，这在访问超大空间数据(如大数据量的遥感图象)的时候表现得尤为明显；●支持的空间数据量有限； 哈尔滨工业大学工学硕士论文●支持的功能有限，由于是构件，只覆盖了GIS系统的部分功能，于是对于特殊领域，它就显得无能为力；●系统的可靠性、容错性有待提高。3．2．4组件式GIS开发平台的结构组件式GIS开发平台通常可设计为三级结构：(1)基础组件面向空间数据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的方式与数据库系连接。(2)高级通用组件由基础组件构造而成，面向通用功能，简化用户开发过程，如显示工具组件选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等等。它们之间的协同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级通用组件，只需几句程序就够了。(3)行业性组件抽象出行业应用的特定算法，固化到组件中，进一步加速开发过程。以GPS监控为例，对于GPS应用，除了需要地图显示、信息查询等一般的GIS功能外，还需要特定的应用功能，如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。这些GPS行业性应用功能组件被封装起来后，开发者的工作就可简化为设置显示目标的图例、轨迹显示的颜色、锁定的目标，以及调用、接受数据的方法等。3．3MapObjects3．3．1什么是MapObjects地理信息系统必须与具体的应用紧密联系起来，只有与具体行业的需求结合，才能真正体现地理信息系统的价值和作用。然而要与具体的应用结合，就不能直接向用户提供最终的应用软件来订制或扩展已有的应用，而应该提供一种制图与GIS功能组件，供用户进行具体应用开发时调用。 MapObjects是ESRI公司提供的一组供应用开发人员使用的制图与GIS功能组件，它由一个OLE控件和一系列可编程OLE对象组成。利用MapObjects，开发人员可以在应用程序中添加制图和ⅨS功能。它不是为最终用户而是专门为开发人员提供的。MapObjects是一个OLE控件，它可以用于大量开发框架中，包括流行的象VisualC++、VisualBasic、Delphi、MicrosoftAccess、VisualFoxpro等之类的程序设计环境，因此开发人员可以在自己熟悉的开发环境中利用MapObjects开发GIS应用。3．3．2MapObjeets的结构MapObjects是建立在微软的对象链接和嵌入(OLE)2．0基础之上的。OLE是当今得到最广泛支持的面向目标的软件集成技术。用户像用砖盖房子一样利用OLE组件开发和集成W"mdows应用。一个OLE控件是一个可重复使用的软件组件。OLE控件可以将许多其他OLE对象包装在一个包中。这个包可以反映某些特定的功能，如统计图和多媒体等，并可以直接嵌入支持OLE的应用中。OLE对象具有特性和方法，可以通过对它们的编程来控制对象的外观、行为以及相互作用。MapObjeets是一个提供制图与GIS功能的OLE控件，它包含了超过45个可编程OLE对象。MapObjects地图控件可以直接插入到许多标准开发环境的工具集中，可以通过属性也操纵地图。这些属性页是在诸如VC之类的开发环境中建立的，或者通过其他程序化相关对象来控制地图。这些对象为应用开发人员提供了有力的制图与GIS功能支持。3．3．3MapObjects的特点MapObjects允许定制利用制图和GIS组件的应用程序，它的特点包括：(1)广泛的数据格式支持支持Arclnfocoverage、ESRIShapefiles、ArcSDE图层；支持AutoCADl3、14和AutoCAD2000的DXF、DWG格式数据：支持矢量产品格式(VPF)数据； 支持大量的栅格图像格式；支持影像目录(ImageCatalog)管理；ImageCatalog是由许多带空间参考文件的影像文件组成的存储结构，可以把ImageCatalog当做一个影像图层使用。(2)支持ODBC和ADO访问数据库表格数据源(3)支持扩展的图形数据及操作(4)支持投影(5)增强的GPS功能MapObject2．0支持点对点、线和多变形目标对象的追踪。新的方法和属性使得管理和追踪GPS动态目标更为方便。(6)空间分析功能MapObjects2．0中提供了一个功能丰富的、用于合并、交叉和缓冲区操作的空间几何运算库。(7)支持数据库版本管理MapObjeets2．X支持ArcSDE8．1的版本管理，允许根据许可权限，连接到ArcSDE空间数据库版本树中的任一指定版本中。3．3．4MapObjeets的功能MapObjects可以完成如下多种功能：(1)能符号化显示一幅全要素的地图，支持自定义符号MapObjects自带了一些符号，同时为满足具体用户的需求，提供了自定义符号的开发接口，这极大地拓展了开发人员的开发空间，也提升了MapObjects的应用尺度。(2)支持对图层的管理和操作MapObjects为用户提供了较为齐全的图层管理功能。这些图层管理方法包括图层的添加、删除以及图层压盖关系的调整等。尤其是它提供的图例控件(M0201egend．1egend)为用户提供了极为方便的图层管理方法，同时可以实现设置符号的功能。(3)支持各种图形操作 哈尔滨工业大学工学硕士论文通过MapObjects，开发人员可以实现一些基本的图形操作，如放大、缩小和漫游等。由于MapObjects对数据建立了索引机制，其地图显示速度非常快，并且提供了无级放缩。(4)可以添加注记MapObjects为开发人员提供了多种添加地图注记的方法，通过这些方法可以实现注记的标注，同时可以设置注记的标注，同时可以设置注记的颜色、大小、字体和位置。(5)提供各种查询功能MapObjects为开发人员提供了多种空间查询的方法，通过它们可以实现几何参数查询、空间定位查询、空间关系查询和SQL查询等多种形式查询。(6)提供一定的空间分析功能MapObjects提供了一定程度上的空间分析功能，通过它提供的空间分析方法可以实现一些简单的空间分析功能，例如缓冲区分析。(7)提供空间数据库访问功能MapObjects可以向通过AreSDE访问存放在Oracle8i／9i、SQL2000等数据库中的空间数据，并且可以把库中的数据作为一个图层在客户端进行显示。(8)提供地图打印及输出功能在进行地图输出之前，通过MapObjects用户首先可以实现地图整饰，对要输出地图图面进行调整；同时可以对地图进行打印输出，并能把当前视口中的地图按bmp、jPg等图像格式导出。(9)实现GPS导航功能MapObjec=ts向用户提供了用于显示动态数据的动态数据操作对象，这组对象包括CMoTrackingLayer和CMoGeoEvent两个对象。通过它们，再配合几何图像操作对象，用户可以实时显示动态数据，能够实现GPS导航、车辆监控、物流分析等多种应用。3．4本章小结本章着重介绍了GIS二次开发的不同模式及各种模式之间的比较，并且详细说明了组件式二次开发的概念、特点及开发过程。详细介绍了ESRI开发的 啥尔滨工业大学工学硕士论文MapObjectsGIS开发组件，说明了它的组成、功能、特点等。 哈尔滨工业大学工学硕士论文第四章供水管网地理信息系统的设计供水管网是社会生产和人民生活的命脉，伴随经济建设的迅速发展和水资源的日益短缺，对城市供水管网管理水平的要求也越来越高。但由于各种原因，我国大部分城市的供水管网管理处于两难之地，一方面传统的供水管理跟不上城市管网的改扩建步伐，管网资料未能及时更新，数据的相对匮乏和滞后性导致不能有效进行科学的判断和分析，管网的运行管理自然不能经济高效的进行，另一方面，由于缺乏有力的管网状态数据和信息支持，新系统也不能进行合理的建设，一定程度上增大了供水管理费用，增加城市基础建设的成本。为了突破这一瓶颈，必须引进先进技术，实现供水管网管理的科学化、数字化和现代化。随着计算机和地理信息技术的飞速发展，以组件式技术为基础的新的一代地理信息系统(GIs)异军突起，改变了传统集成式GIS平台的工作模式，开发环境多样，过程简便，在拥有强大原GIS功能的同时，与具体行业专业应用紧密结合，大大降低了开发成本，比较适合中小城市供水管网地理信息系统的开发和应用。4．1系统总体设计本系统利用ESRI的MapObjects控件，发工具Visualc++，进行组件式二次开发，系统总体设计主要涉及的内容如下：在Windows平台上，使用可视化开形成适合供水管网特点的专用GIS。1．系统结构的总体设计：包括系统的总体框架、子系统的划分、软件系统(包括操作系统、数据库和应用软件等)组成、数据库组成、存储方法等。2．数据结构设计：确定系统所涉及的文件系统的组织方式和结构、数据的完整性和完全性设计。3．处理方式设计：实现系统某些功能如空间分析、统计和查询等。4．界面初步设计：包括系统总体风格，如图形表现、属性表现、查询统计 表现等界面。系统设计框架如图4—1所示。4．2系统设计原则图4-l系统构架图Figure4-1systemarchitecturediagram(1)实用性原则系统设计开发的根本目的是实用性。尽可能地满足城市供水管网管理的需求是系统建设的根本目标，也是系统设计的基本出发点。主要体现在所设计的系统从实际管网管理应用出发，借鉴自来水公司运行管理的实际管理流程，实际运营经验和大量实际管网数据，能适应多方面的需要。系统应从切实的必须的功能出发，不追求大而全的当前功能，而是实现切实必要的功能，满足供水30 啥尔滨工业大学工学硕士论文管线资料的自动化管理，实现真正的管理科学化口"。(2)可靠性原则可靠性是系统设计的基本原则，系统应该在大数据量及各种环境下都稳定运行。数据可靠性：数据库中的所有数据应是准确可靠的。系统可靠性：系统应具有很强的容错能力和处理突发事件的能力，不至于因某个动作或某个突发事件而导致数据的丢失和系统瘫痪。(3)完备性原则地理信息系统具有综合性、整体性、长期性的特点，数据库中的各种数据应该是全面的、完整的，能够满足系统各项功能的需求。(4)可扩展性原则系统应符合当前信息技术的主流方向，功能可以持续扩充和增强。一方面，本系统目前只完成了主要框架，应保证本系统的功能可以不断扩充，完善；另一方面本系统要尽量与最先进的计算机科学技术接轨，方便以后进行系统的整体升级和移植。(5)先进性和开放性原则信息技术发展非常之快，硬件更新换代迅速，软件版本升级也非常快。系统设计与开发的工程中，在确保系统实用的同时，要充分利用信息技术发展的最新成果，结合技术的发展趋势。在硬件配置和系统设计中也要综合考虑系统的升级和发展。(6)安全性原则系统必须采用严格的安全措施，设置多级安全机制，保证系统运行的安全和稳定(7)经济性原则在保证各项功能实现的基础上，应以较好的性价比配置系统所需的软件和硬件，设计友好的用户界面，简便、灵活的操作方法，争取以最小投入获取最大效益。 4．3系统开发工具和平台本课题在建立过程中采用美国环境系统研究所(EnvironmentSystemResearchInstitute，ESRI)的ARCGIS8-3作为空间数据的采集与编辑平台。在ARCGIS8．3地理信息系统平台软件的基础上运用MapObjecs控件进行应用程序的开发。采用的主要软件如下：●操作系统采用WindowsXP操作系统。●数据库系统采用DbaselV数据库存储基础地理信息、管网数据(包括图形数据和属性数据)。●编程语言采用Visualstudio平台，利用C++语言进行程序编制。●GIS平台软件及MapObjects组件采用ESRI开发的ARCGIS8．3，其为ESRI于2002年推出的新一代GIS平台，它在继承已有成熟技术的基础上，整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他方面的计算机主流技术，应用广泛。采用MapObjects组件处理矢量图形数据。4．4数据结构设计GIS数据库是对空间数据与属性数据存放的一个集合。完整的GIS数据库包括空间数据库和属性数据库两部分。GIS的核心就在于用数据库技术建立实体定位数据和属性数据的一一对应联系。建立数据库不仅仅是为了保存数据，更主要的是为了管理和控制与这些数据相关联的事物。在地理空间数据管理中以多种方式录入的地理数据，用有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、快速查询检索，多种方式输出决策所需的地理空间信息。本系统以地理信息为纽带连接整个供水管网信息，将管网信息自然、一致地整合于一个统一的可视化管理信息系统平台下。根据空间位置关系，对信息作检索、查询、分析、统计，构建一个完整的可视化数据库系统。 哈尔演工业大学工学硕士论文Shape文件(形文件)是ESRI提供的存储地理数据的矢量格式。一个形文件主要由三种文件组成，主文件(+．shp)包含几何形状，索引文件(+．shx)包含数据的索引，数据库文件(·．dbO包含形的属性。每一元素的几何形状以包括一组矢量坐标的形的形式存储。其属性存放在与形文件相连的dBASE的记录中。因此Shape文件本身包括了完整的空间数据库和属性数据库，由于系统数据量相对不大，可以采用Shape文件作为文件型数据库，根据实际需要对数据库进行修改，添加图元属性，输入管网数据，以下就是根据需求来设计的属性数据库的主要数据表字段名称和数据类型。4．4．1节点数据库表4．1节点数据库结构1"曲le4一lThestructureofnodedatable 4．4．3管段数据库表4-3管段数据库结构Table4-3Thestructureofpipedatabase4．4．4大用户数据库表4_4大用户数据库结构Table4-4Thestructureofbigconsamerdatabase字段名称数据类型内容YIDInteger用户编号NUMBERInteger用户水表编号NAMEString用户名称ADDRESSString用户地址FEATUREInteger起始节点4．4．5消火栓数据库 表4-5消火栓数据库结构Table4-5Thestructureofhydrantdatabase4．5系统功能设计MapObjccts是由一个名为MapControl的ActiveX控件和46个功能对象组成，可以根据实际需要调用所需的功能对象，利用M印Control控件进行多种显示。4．5．1视图模块Map控件提供了一套完备的地图操作方法。通过这些方法，开发人员可以完成对地图的多种操作和加工处理。本系统利用Map控件可以对窗口地图进行无级缩放、中心缩放、框选缩放、漫游及全图显示等。4．5．2查询统计功能空间查询是指在一组空间目标中，定为或奄找相应目标，是GIS的最基本最常用的功能，也是GIS与其它数字制图软件相区别的主要特征。本系统利用CMoMapLayer功能对象中的scarchshapc及scarchexpression功能实现了空间定位查询及SQL查询。4．5．3平差计算功能系统从数据库中读取管段和节点信息，运用解节点方程法对管网进行平差计算。本系统平差计算分为两个步进行； 哈尔滨工业大学工学硬士论文●数据前处理：根据管段层图形文件及数据库中属性数据计算管网平差时所需变量及参数，如管长、初分流量等。生成衔接矩阵和c值矩阵。●水力计算：运用解节点方程法对管网进行平差计算。解节点方程法晟大的优点是输入数据少，大部分工作均可由计算机程序自动完成，如自动生成系数矩阵，不需要回路矩阵等，收敛性较好一j，是目前应用最广的一种计算方法。解节点方程的计算程序流程图见图4—2。4．5．4可视化显示功能本系统利用Map控件及CMoValueMapRcndc"rc"r功能对象对水力计算结果进行水流方向及水流速度色阶显示。4．6系统界面设计4．6．1用户界面用户界面的友好性是衡量一个软件优劣的重要标志之一。用户界面是用户和系统交流的窗口，是系统的外观表现和具体操作平台，由于大多数终端用户也许并不熟悉供水管网和地理信息系统的专业知识和理论，因此如何增强系统的可操作性、正确性和直观性、建立友好的用户界面是系统成功应用的关键之系统的主窗体采用的是基于Windows风格的菜单式界面，如图4-3所示。菜单式界面将系统功能按层次分布在菜单中，通过选择其中某项菜单执行用户需求的操作。此外，系统工具条实现了系统菜单中常用的菜单功能工具。主窗体界面主要分为五大块：地图窗口、列表密口、控制窗口、级菜单、工具条。 哈尔滨工业大学工学硕士论文开始l输管段数P，节点数J，允许误差EPS入‘水头已知节点数s，已知节点水头H。数各管段直径D，管长L。，阻力系数c。起止节点号Ji，J2据各节点流量Q，地面标高liDi拟定管段初始流量q=ReuⅡ／(4p)计算各管段液阻s‘1计算各管段的C；1／(sqn_1)l×迭生成节点方程的系数矩阵ACA’I代解节点方程，求出各节点水头Hf计算按节点水头计算各管段流量qk+1=C(H广Hj)q⋯=0．5(qk+q⋯)lJLt／In¨．nkl